中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，中紅外（波長(cháng)范圍2~20μm）集成光子學(xué)因其潛在的應用場(chǎng)景如吸收光譜、熱成像、自由空間光通信等而受到了廣泛的關(guān)注。中紅外波段包含了多個(gè)大氣透明窗口，有著(zhù)作為氣體傳感應用的先天優(yōu)勢，并且得益于近紅外成熟的器件設計測試流程與微納加工技術(shù)，一些近紅外的應用也能夠較快地拓展至中紅外波段。
此外，集成光子器件在一些傳感應用中不僅可以做到媲美傳統設備的靈敏度，同時(shí)還具有低功耗、低成本、結構緊湊，易于與其他設備集成的特點(diǎn)。因此，中紅外集成光子傳感器件在未來(lái)將會(huì )在工業(yè)檢測、科學(xué)研究、醫療診斷、軍事安防、民用生活等領(lǐng)域中不斷發(fā)揮出重要的作用。
近期，上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鄒毅研究員課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“中紅外集成光子傳感系統研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。鄒毅研究員主要從事集成光子學(xué)方面的研究工作。
這項研究主要對中紅外集成光子傳感平臺進(jìn)行了回顧，對中紅外傳感系統的三個(gè)主要部分：傳感單元、光譜儀和探測器做出了簡(jiǎn)要介紹，展示了目前中紅外集成光子傳感器件的研究進(jìn)展，并對其未來(lái)發(fā)展做出了展望。
中紅外集成片上傳感系統
傳感單元：基于中紅外光學(xué)的傳感單元擁有高靈敏度、高選擇性，響應快且長(cháng)期運行穩定的特點(diǎn)，目前已經(jīng)有單層蛋白質(zhì)檢測、甲烷檢測、重水檢測、溫室氣體檢測等各類(lèi)化學(xué)、環(huán)境、生物檢測應用。中紅外片上傳感單元依據集成類(lèi)型可以分為面內以及面外兩種。更進(jìn)一步，也可以分成使用硅、鍺IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化鋁等其他材料的傳統波導型傳感器件，以及表面等離激元共振型傳感器件。
中紅外波導傳感器件
在面內傳感器件中，光波通常沿芯片上的波導進(jìn)行傳播，這樣的設計有利于高度的單片集成。絕大部分使用硅、鍺IV 族材料和使用硫系玻璃、氮化鋁等其他材料的傳統波導型傳感器件都屬于面內傳感器件，還有一些表面等離激元傳感器件也可以歸入該類(lèi)型。
中紅外環(huán)形諧振器傳感器件
面外傳感器也是很常見(jiàn)的片上集成傳感器件。在面外傳感器件中，基于超表面結構的傳感器件是很常見(jiàn)的一類(lèi)。超表面是一種具有周期性亞波長(cháng)結構的人工材料，基于超表面結構的光學(xué)傳感器件一般需要通過(guò)解析面外照射光的透反射譜來(lái)完成分析物檢測，因此大多都屬于面外器件。在中紅外波段，硅基及其他材料的超表面研究正在逐步展開(kāi)，相比之下現階段更為成熟的面外中紅外傳感器件主要基于等離激元共振原理。它們以稍弱的集成能力為代價(jià)，展現出許多有趣的性能。
中紅外面外傳感器件
中紅外片上光譜儀：對于集成在片上的中紅外光譜儀結構，主要分為以下幾種：濾波-光譜重建光譜儀，空間外差法光譜儀以及雙光梳光譜儀。濾波光譜重建光譜儀，由于其能夠以較小的結構實(shí)現較大的光程(如諧振腔) 或不同的光譜響應，所以通常其具有結構更緊湊的特點(diǎn)，但具體需要根據光譜儀本身結構特征探討其優(yōu)缺點(diǎn)?；诳臻g外差法的傅里葉變換光譜儀，具有高光通量和高信噪比的特點(diǎn)，但為了實(shí)現更長(cháng)的光程，通常需要較大的結構面積。雙光梳光譜儀利用光梳在時(shí)間域的相干拍頻，對相干結果做光譜求解，通常能夠以較小的面積進(jìn)行高精度的光譜檢測，但其對光梳生成和探測速度的要求也相應較高。
重建型光譜儀
空間外差傅里葉變換光譜儀
雙光梳光譜儀原理及結構示意圖
中紅外集成光電探測器：光電探測器作為光強度信息獲取的工具，在整個(gè)通信和傳感系統中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。其可以作為片上傳感如光譜儀，傳感單元等信號收集端，也可用于雷達等設備的接收后端，作為數據采集的工具。目前報道的中紅外的探測器材料主要有HgCdTe合金、III-V材料、二維材料、IV族材料等。
部分吸收材料光學(xué)響應范圍
當前報告最多的集成光電探測器探測方式主要為面外探測器，多用于焦平面陣列，紅外成像，遙感等領(lǐng)域。波導集成作為探測器的另一種設計方式，可通過(guò)絕熱耦合、光柵耦合等方式，加強光與吸收材料的交互，導出光強信息。
中紅外集成光電探測器
總體來(lái)說(shuō)，中紅外波段是理想的傳感波段。同時(shí)由于波長(cháng)比近紅外更長(cháng)，中紅外器件的微結構特征尺寸所需工藝要求通常更低，使得工藝與制造更加容易。然而，目前中紅外平臺仍面臨著(zhù)一些不可忽視的問(wèn)題。例如，第一，相較于更加成熟的近紅外平臺，中紅外器件在傳播損耗、插入損耗等性能方面還有很多可以提升的空間；第二，中紅外光源、傳感單元、中紅外光電探測器的單片集成問(wèn)題亟待解決，雖然許多器件的性能表現優(yōu)異，但能夠與之完全單片集成的光源和探測器目前還尚未達到商業(yè)化水平，這限制了中紅外傳感系統走出實(shí)驗室環(huán)境和大規模向工業(yè)，軍事和民用等領(lǐng)域普及；最后，許多除了傳統硅基材料外的中紅外平臺相關(guān)研究正在展開(kāi)，在此情景之下，如何權衡新材料帶來(lái)的優(yōu)秀性能和CMOS 加工工藝兼容上的困難，并同時(shí)做到與硅基平臺相近的成本等難題仍待解決。但是這些問(wèn)題并非無(wú)法克服，相信在研究人員的努力下，中紅外傳感將于未來(lái)能夠在信息科學(xué)、天文、物聯(lián)網(wǎng)、生命，可穿戴等科學(xué)、軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域，發(fā)揮出重要的作用。
該項目獲得國家自然科學(xué)基金（61705099）、上海市自然科學(xué)基金（21ZR1443100）的支持。該研究共同第一作者為上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生夏利鵬和劉昱恒，夏利鵬主要從事硅光子中紅外傳感方面的研究工作，劉昱恒主要從事硅光子中紅外傳感方面的研究工作。
